開關(guān)電源boost電路課程設(shè)計(jì)

1、電氣與電子信息工程學(xué)院 課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè) 計(jì)： 電力電子裝置設(shè)計(jì)與制作 專業(yè)名稱： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)：2011級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化專升本班 學(xué)號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2012/12/032012/12/14 設(shè)計(jì)地點(diǎn)： K2-電力電子實(shí)驗(yàn)室 完成時(shí)間：2012年12月14日電力電子裝置設(shè)計(jì)與制作程設(shè)計(jì)成績?cè)u(píng)定表姓 名 學(xué)號(hào)201120210107專業(yè)班級(jí)課程設(shè)計(jì)題目：電力電子裝置設(shè)計(jì)與制作成績?cè)u(píng)定及依據(jù)：1. 課程設(shè)計(jì)考勤情況（20%）：2. 課程設(shè)計(jì)答辯情況（30%）：3. 完成設(shè)計(jì)任務(wù)報(bào)告規(guī)范性（50%，其中直流系統(tǒng)部分占60%，交流部分占40%）：最終評(píng)定成績（以

2、優(yōu)、良、中、及格、不及格評(píng)定）： 指導(dǎo)教師簽字： 電力電子裝置設(shè)計(jì)與制作課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 20122013學(xué)年第一學(xué)期學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)：指導(dǎo)教師： 工作部門： 一、課程設(shè)計(jì)題目：電力電子裝置設(shè)計(jì)與制作二、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容根據(jù)題目選擇合適的輸入輸出電壓進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，在Protel或OrCAD軟件上進(jìn)行原理圖繪制；滿足設(shè)計(jì)要求后，再進(jìn)行硬件制作和調(diào)試。如實(shí)驗(yàn)結(jié)果不滿足要求，則修改設(shè)計(jì)，直到滿足要求為止。設(shè)計(jì)題目：開關(guān)直流升壓電源(BOOST)設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)：1）輸入交流電壓220V（可省略此環(huán)節(jié)）。2）輸入直流電壓在8-18V之間。3）輸出直流電壓10-25V，輸出電壓相對(duì)變化量小于2%。4）輸出

3、電流1A。5）采用脈寬調(diào)制PWM電路控制。三、進(jìn)度安排序號(hào)名 稱時(shí) 間1下發(fā)設(shè)計(jì)任務(wù)書，布置設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)時(shí)間安排。一 天2掌握鋸齒波產(chǎn)生電路、電壓反饋電路、控制電路的工作原理一 天3掌握穩(wěn)壓電源電路工作原理半 天4繪出原理框圖以及各部分電路的詳細(xì)連接圖一 天45學(xué)會(huì)借用電子線路CAD正確繪制電路圖；一 天6掌握焊接技術(shù)以及MOSFET、二極管、三極管等器件的檢測(cè)方法半 天7掌握電路的安裝與調(diào)試一 天8根據(jù)直流穩(wěn)壓電源電路的工作原理設(shè)計(jì)電路圖一 天9了解電子電路板的制作過程半 天10學(xué)習(xí)電路原理圖及印制電路板圖的讀圖方法半 天11掌握穩(wěn)壓開關(guān)電源的檢測(cè)與調(diào)試一 天12書寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告

4、一 天四、基本要求1、獨(dú)立設(shè)計(jì)原理圖各部分電路的設(shè)計(jì)；2、制作硬件實(shí)物，演示設(shè)計(jì)與調(diào)試的結(jié)果。3、寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告。內(nèi)容包括電路圖、工作原理、實(shí)際測(cè)量波形、調(diào)試分析、測(cè)量精度、結(jié)論和體會(huì)。4、寫出設(shè)計(jì)報(bào)告：不少于3000字，統(tǒng)一復(fù)印封面并用4紙寫出報(bào)告。封面、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書摘要，關(guān)鍵詞（中英文）方案選擇，方案論證系統(tǒng)功能及原理。（系統(tǒng)組成框圖、電路原理圖）各模塊的功能，原理，器件選擇實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及分析設(shè)計(jì)小結(jié) 附錄-參考文獻(xiàn) 目錄引言21 升壓斬波工作原理21.1 主電路工作原理22 升壓斬波電路的典型應(yīng)用43 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求631輸出值的計(jì)算74 硬件電路74.1控制電路74.2 觸發(fā)電路和主

5、電路94.3.元器件的選取及計(jì)算105.仿真116結(jié)果分析147小結(jié)148.參考文獻(xiàn)14 引言近幾年來電力電子技術(shù)迅速的發(fā)展，高壓開關(guān)穩(wěn)壓電源已廣泛用于計(jì)算機(jī)、通信、工業(yè)加工和航空航天等領(lǐng)域。所有的電力設(shè)備都需要良好穩(wěn)定的供電，而外部提供的能源大多為交流，電源設(shè)備擔(dān)負(fù)著把交流電源轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備所需的各種類別直流任務(wù)。但有時(shí)所供的直流電壓不符合設(shè)備需要，仍需變換，稱為DC/DC變換。直流斬波電路作為直流電變成另一種固定電壓的DC-DC變換器，在直流傳動(dòng)系統(tǒng).、充電蓄電電路、開關(guān)電源、電力電子變換裝置及各種用電設(shè)備中得到普通的應(yīng)用。隨之出現(xiàn)了諸如降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、復(fù)合斬波

6、電路等多種方式的變換電路。直流斬波技術(shù)已被廣泛運(yùn)用開關(guān)電源及直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)、節(jié)約電能的效果。全控型電力電子器件IGBT在牽引電傳動(dòng)電能傳輸與變換、有源濾波能領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。直流斬波電路實(shí)際上采用的就是PWM技術(shù)，這種電路把直流電壓斬成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需要的輸出電壓。PWM控制方式是目前才用最廣泛的一種控制方式，它具有良好的調(diào)整特性。隨電子技術(shù)的發(fā)展，近年來已發(fā)展各種集成式控制芯片，這種芯片只需外接少量元器件就可以工作，這不但簡化設(shè)計(jì)，還大幅度的減少元器件數(shù)量、連線和焊點(diǎn)1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1.1 系統(tǒng)方框圖Boost電路又稱為升壓型斬波器

7、，是一種直流- 直流變換電路,用于將直流電源電壓變換為高于其值的直流電壓，實(shí)現(xiàn)能量從低壓側(cè)電源向高壓側(cè)負(fù)載的傳遞。整個(gè)系統(tǒng)包括BOOST主電路、為了更好的控制開關(guān)頻率，還增加了閉環(huán)調(diào)節(jié)模塊和電壓反饋模塊。系統(tǒng)方框圖如圖1-1所示：圖1-1 系統(tǒng)方框圖1.2 boost升壓電路工作原理。在電路中IGBT導(dǎo)通時(shí)，電流由E經(jīng)升壓電感L和V形成回路，電感L儲(chǔ)能；當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，電感產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)和直流電源電壓方向相同互相疊加，從而在負(fù)載側(cè)得到高于電源的電壓，二極管的作用是阻斷IGBT導(dǎo)通是，電容的放電回路。調(diào)節(jié)開關(guān)器件V的通斷周期，可以調(diào)整負(fù)載側(cè)輸出電流和電壓的大小。負(fù)載側(cè)輸出電壓的平均值為: （3

8、-1） 式（3-1）中T為開關(guān)周期, 為導(dǎo)通時(shí)間， 為關(guān)斷時(shí)間。升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個(gè)原因:一是L儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。在以上分析中，認(rèn)為開關(guān)處于通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓不變，但實(shí)際上C值不可能為無窮大，在此階段其向負(fù)載放電，必然會(huì)有所下降，故實(shí)際輸出電壓會(huì)略低于理論所得結(jié)果，不過，在電容C值足夠大時(shí)，誤差很小，基本可以忽略。1.3boost升壓電路原理結(jié)構(gòu)圖Boost升壓電路結(jié)構(gòu)簡單，由直流電源、電感、電容、開關(guān)管、二極管以及負(fù)載。其基本原理結(jié)構(gòu)如圖1-2所示： 圖1-3 Boost升壓電路結(jié)構(gòu)圖2.電路參數(shù)的計(jì)

9、算及元器件選型2.1 系統(tǒng)的要求本系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)一個(gè)升壓閉環(huán)調(diào)節(jié)電路，輸入電壓10V，輸出電壓22V，最大電流1.5A，輸出電壓紋波為1%。2.2 TL494工作原理TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源。TL494有SO-16和PDIP-16兩種封裝形式，以適應(yīng)不同場(chǎng)合的要求。其主要特性如下：TL494主要特征集成了全部的脈寬調(diào)制電路。片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個(gè)（一個(gè)電阻和一個(gè)電容）。內(nèi)置誤差放大器。內(nèi)止5V參考基準(zhǔn)電壓源?？烧{(diào)整死區(qū)時(shí)間。內(nèi)置功率晶體管可提供500mA的驅(qū)動(dòng)能力。推或拉兩種輸出

10、方式。TL494引腳圖如圖2-1所示：圖2-1 TL494引腳分布圖TL494是一個(gè)固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下：輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)才會(huì)被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號(hào)期間才會(huì)被選通。當(dāng)控制信號(hào)增大，輸出脈沖的寬度將減小。參見圖2-2。圖2-2 TL494控制器時(shí)序波形圖脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個(gè)手段：當(dāng)反饋電壓從0.5V變化到3.5時(shí)，輸出的脈沖寬

11、度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時(shí)間中下降到零。兩個(gè)誤差放大器具有從-0.3V到（Vcc-2.0）的共模輸入范圍，這可能從電源的輸出電壓和電流察覺得到。誤差放大器的輸出端常處于高電平，它與脈沖寬度調(diào)制器的反相輸入端進(jìn)行“或”運(yùn)算，正是這種電路結(jié)構(gòu)，放大器只需最小的輸出即可支配控制回路。當(dāng)比較器CT放電，一個(gè)正脈沖出現(xiàn)在死區(qū)比較器的輸出端，受脈沖約束的雙穩(wěn)觸發(fā)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，同時(shí)停止輸出管Q1和Q2的工作。若輸出控制端連接到參考電壓源，那么調(diào)制脈沖交替輸出至兩個(gè)輸出晶體管，輸出頻率等于脈沖振蕩器的一半。如果工作于單端狀態(tài)，且最大占空比小于50%時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別從晶體管Q1或Q2取得。輸出變壓器一個(gè)

12、反饋繞組及二極管提供反饋電壓。在單端工作模式下，當(dāng)需要更高的驅(qū)動(dòng)電流輸出，亦可將Q1和Q2并聯(lián)使用，這時(shí)，需將輸出模式控制腳接地以關(guān)閉雙穩(wěn)觸發(fā)器。這種狀態(tài)下，輸出的脈沖頻率將等于振蕩器的頻率。TL494內(nèi)置一個(gè)5.0V的基準(zhǔn)電壓源，使用外置偏置電路時(shí)，可提供高達(dá)10mA的負(fù)載電流，在典型的070溫度范圍50mV溫漂條件下，該基準(zhǔn)電壓源能提供±5%的精確度。TL494內(nèi)部電路方框圖：2.3 開關(guān)頻率的計(jì)算振蕩頻率可通過外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下：系統(tǒng)采用RC振蕩器參數(shù)值分別為R=10K，C=4700PF，通過上式計(jì)算得，f=23.4KHZ。2.4TL494的閉環(huán)調(diào)

13、節(jié)如圖2-3所示，TL494的IN2通道與feedback引腳構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的PID調(diào)節(jié)。圖2-3TL494閉環(huán)調(diào)節(jié)2.4 電感值的計(jì)算由Boost的伏秒平衡，可得：又根據(jù)能量守恒，可得： (為CCM Boost電感的電流中心值) 當(dāng)輸出最小負(fù)載，即，也就是Boost處于臨界狀態(tài)，可得：代入數(shù)據(jù)可得，L53uh選用綠色環(huán)形電感，取3倍欲量。根據(jù)公式算電感圈數(shù)：考慮欲量最后去圈數(shù)為9圈，測(cè)得電感值為515uH。2.5 二極管選型根據(jù)系統(tǒng)最大電流1.5A，可選取最大允許通過電流2A的二極管，本系統(tǒng)主要選擇FR207。3 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)原理圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖如圖3-1所示：圖3-1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)原理圖4 設(shè)計(jì)

14、結(jié)果與分析4.1 測(cè)試工具泰克示波器TDS1012B雙路穩(wěn)壓電源CALTEK CA17305D數(shù)字萬用表DT92054.2 TL494輸出波形用示波器觸筆接TL494的9、10號(hào)腳的輸出波形為驅(qū)動(dòng)MOS開關(guān)管波形，如圖4-2所示：圖4-2 MOS驅(qū)動(dòng)波形 TL494的5、6號(hào)腳與外圍電阻電容構(gòu)成一個(gè)RC振蕩器，為系統(tǒng)提供了比較基準(zhǔn)源，示波器上顯示波形如圖4-1所示：圖4-1 比較基準(zhǔn)波形圖4.3輸出紋波波形系統(tǒng)輸出紋波的產(chǎn)生主要由于Boost電路中的開關(guān)管的開斷以及電感電容的充放電，根據(jù)設(shè)置的電容值大小，最后輸出的紋波波形，測(cè)試時(shí)示波器采用交流擋測(cè)試，所測(cè)試的波形如圖4-3所示：圖4

15、-3 輸出紋波波形4.4 電感輸出波形當(dāng)開關(guān)管開通和關(guān)斷過程中，電感處的輸出波形與輸入波形有很大的區(qū)別，輸入波形為系統(tǒng)電源輸入波形，為直流波形。其波形如圖4-4所示：圖4-5 電感輸出波形5實(shí)驗(yàn)小結(jié) 通過這次對(duì)降壓直流斬波電路的課程設(shè)計(jì)，我對(duì)斬波電路有了更加清晰的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也對(duì)驅(qū)動(dòng)電路也有了更深刻的認(rèn)識(shí)，另外，在做設(shè)計(jì)的過程中我也學(xué)會(huì)了用一些基本元部件進(jìn)行建模的基本方法，加深了對(duì)課本知識(shí)的進(jìn)一步理解。 同時(shí)這次課程設(shè)計(jì)應(yīng)用到MATLAB軟件，設(shè)計(jì)時(shí)借助MATLAB軟件進(jìn)行系統(tǒng)模型仿真，進(jìn)一步熟悉了MATLAB語言及其應(yīng)用，用該軟件對(duì)該電路進(jìn)行分析，大大簡化了計(jì)算和繪圖步驟。同時(shí)該次課程設(shè)計(jì)。書寫課程設(shè)計(jì)說明書時(shí)使用WORD軟件，使我掌握了許多關(guān)于WORD編輯和排版技巧，提高了自身對(duì)一些基本軟件的應(yīng)用技能。 總之，這次課程設(shè)計(jì)不僅增加了我的知識(shí)積累，讓我有機(jī)會(huì)將課堂上所學(xué)的電力電子理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中，了解了這些知識(shí)在電源上豐富而強(qiáng)大的用途，為將來走進(jìn)工作打下了基礎(chǔ)，還讓我懂得自主學(xué)習(xí)的重要性，還有做什么事情都要有恒心，有信心，動(dòng)腦子